DE19941304A1 - Silizium-Germanium-Infrarotdetektor mit hohem Wirkungsgrad - Google Patents
Silizium-Germanium-Infrarotdetektor mit hohem WirkungsgradInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine SiGe-Schichtenfolge zur Herstellung eines Infrarot-Detektors. DOLLAR A Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine zwischengeschaltete SiGe-Epitaxieschicht als Dotier-Setback-Schicht eine Lücke im Ladungsträgerfuß vom Metall zum Halbleiter erzeugt. Dadurch findet eine ballistische Trägerinjektion über die undotierte Schicht zum aktiven SiGe-Quantentopf statt, durch die ein Fehlen von angeregten Störstellen-Zuständen im Löcherkanal zwischen Metall und Halbleiter verursacht wird. Dies reduziert den Dunkelstrom und steigert den Wirkungsgrad des Detektors.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schichtenfolge zur Herstellung eines
Infrarot-Detektors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die aus dem Halbleiter Silizium - Germanium (SiGe) realisierten Infrarot (IR)-
Detektoren beruhen auf dem Prinzip der sogenannten heterointernen Photo
emission (HIP). Die Emission hat ihre Ursache in einer hoch p-dotierten SiGe-
Schicht, die epitaktisch auf eine undotierte Si-Schicht aufgewachsen wird und
dabei mit einer p++-Dotierstoffkonzentration von über 1020 cm-3 versehen wird.
In dieser Schicht werden die an den Akzeptoratomen befindlichen Fehlelektronen
(Löcher) aus dem SiGe-Quantentopf optisch angeregt und mittels eines von
außen angelegten elektrischen Feldes zu den Kontakten hin transportiert und so
der Stromfluß verursacht wird (z. B. T. L. Lin et al., Optical Engineering 33, No. 3,
p. 716, 1994; B.-Y. Tsaur et al., ibido, No. 1, p. 72, 1994).
Je höher die Dotierung des SiGe-Quantentopfes ist, desto mehr Ladungsträger
können generiert werden und demnach kann ein entsprechend größeres
Photostromsignal bei gegebener, einfallender Lichtleistung erzeugt werden. Diese
Strukturen haben jedoch den Nachteil, daß aufgrund der hohen Dotierung des
SiGe-Quantentopfes sich sowohl Grenzflächenzustände zum benachbarten,
undotierten Si ausbilden als auch die Grenzflächenschärfe schlechter wird, was
dann einen hohen Dunkelstrom zur Folge hat.
Eine Verringerung des Dunkelstromes wird erreicht, indem die HIP-Struktur das
Prinzip des hochdotierten Topfes beibehält und, wie in R. Strong et al., J. Appl.
Phys. 82, No. 10, p. 5191 u. ibido p. 5199 (1997) beschrieben ist, der dem Substrat
zugewandten Seite des hoch dotierten Si-Ge Quantentopfes eine undotierte SiGe
Zwischenschicht mit gleichem Ge-Gehalt zwischengeschaltet wird (sog. "Dotier-
Setback" Schicht). Dabei hat diese substratseitig aufgewachsene, undotierte Si-Ge
Schicht die Funktion, die Dotiergrenze von der Halbleiterheterogrenze räumlich
zu trennen und dadurch die Ausbildung von Grenzflächenzuständen, die
hauptsächlich für den hohen Dunkelstrom verantwortlich sind, zu unterdrücken.
Derartige HIP-Strukturen mit einer undotierten SiGe Zwischenschicht
ermöglichen eine Reduktion des Dunkelstromes um mehr als 3 Größenordnungen
gegenüber der gleichen Struktur ohne Zwischenschicht. Zudem verschiebt sich
durch die effektiv höhere Barriere, hervorgerufen durch die undotierte
Zwischenschicht, die Cutoff-Wellenlänge der Photostromkurve zu kürzeren
Wellenlängen, wodurch das Maximum des Signals leicht ansteigt. Allerdings
müssen zu längeren Wellenlängen hin gewisse Einbußen im Quanten
wirkungsgrad hingenommen werden. Gerade ein möglichst hoher Wirkungsgrad
spielt jedoch beim Einsatz von Photodioden eine zentrale Rolle.
Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schichtenfolge
anzugeben, mit der der Wirkungsgrad der gattungsgemäßen Photodioden
gesteigert wird.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben.
Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der
Erfindung.
Die Erfindung beinhaltet eine Schichtenfolge zur Herstellung eines Infrarot-
Detektors, bestehend aus,
- - einer auf einem Siliziumsubstrat aufgewachsenen niederdotierten Siliziumschicht
- - einer intrinsischen ersten Si1-xGex-Epitaxieschicht
- - einer hochdotierten zweiten Si1-xGex-Epitaxieschicht
- - einer intrinsischen dritten Si1-xGex-Epitaxieschicht sowie
- - einem Metallkontakt.
Dadurch unterscheidet sich die hier vorgeschlagene Schichtenfolge eines HIP-
Detektors von derjenigen bisher bekannter "Ein-Schicht Detektoren" durch eine
ballistische Ladungsträgerinjektion vom Metallkontakt zur aktiven Schicht über
die undotierte, dritte SiGe Epitaxieschicht.
Bisher beruhte die Wirkungsweise der HIP Detektoren auf dem lückenlosen
Übergang zwischen den metallischen Zuständen und der hochdotierten
Halbleiterschicht. Solche Detektoren zeigen eine freie Ladungsträgerabsorption
mit einer charakteristischen breiten Bande, die keine Details über die Zustände
im SiGe-Quantentopfes enthält.
Dagegen besteht der besondere Vorteil der Erfindung darin, daß die
erfindungsgemäß zwischengeschaltete dritte SiGe-Epitaxieschicht als Dotier-
Setback Schicht eine Lücke im Ladungsträgerfluß vom Metall zum Halbleiter
erzeugt. Dadurch findet eine ballistische Trägerinjektion über die undotierte
Schicht zum aktiven SiGe-Quantentopf statt, durch die ein Fehlen von angeregten
Störstellen-Zuständen im Löcherkanal zwischen Metall und Halbleiter verursacht
wird. Dies reduziert den Dunkelstrom und steigert den Wirkungsgrad des
Detektors.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von vorteilhaften Ausführungs
beispielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen in den Figuren
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a) Schichtenfolge eines erfindungsgemäßen HIP-Detektors mit erhöhtem
Quantenwirkungsgrad (Probe A),
Fig. 1b) Schichtenfolge eines herkömmlichen HIP-Detektors (Probe B),
Fig. 2a) Verlauf und Vergleich des Quantenwirkungsgrades der Proben A und B
in Abhängigkeit von der Wellenlänge,
Fig. 2b) Verlauf und Vergleich des Dunkelstromes in Abhängigkeit
der Spannung.
In einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1a wird die erfindungsgemäße
Schichtstruktur schematisch dargestellt. Sie besteht aus einer auf einem
Siliziumsubstrat 1 aufgewachsenen Abfolge einer niederdotierten Siliziumschicht
2, einer intrinsischen ersten Si1-xGex-Epitaxieschicht 3, einer hochdotierten
zweiten Si1-xGex-Epitaxieschicht 4, einer intrinsischen dritten Si1-xGex-
Epitaxieschicht 5 sowie aus einem Metallkontakt 6. Gegenüber einem
herkömmlichen HIP-Detektor (Fig. 1b) wird die dritte Si1-xGex-Epitaxieschicht
5 in die Schichtenfolge eingefügt, wobei die Schichtdicken und
Dotierstoffkonzentrationen zur Optimierung der Schichteigenschaften
folgendermaßen angepaßt werden:
Der Widerstand des (100)-Siliziumsubstrats 1 beträgt ca. 50 Ωcm. Die niederdotierte Siliziumschicht 2 enthält den Dotierstoff Bor in einer p--Konzentration von ca. 1016 cm-3.
Der Widerstand des (100)-Siliziumsubstrats 1 beträgt ca. 50 Ωcm. Die niederdotierte Siliziumschicht 2 enthält den Dotierstoff Bor in einer p--Konzentration von ca. 1016 cm-3.
Die intrinsische erste und dritte Si1-xGex-Epitaxieschicht 3, 5 enthält einen
Germaniumanteil der Konzentration x = 0,2 bis 0,4 und bevorzugt 0,3.
Die hochdotierte zweite Si1-xGex-Epitaxieschicht 4 besitzt einen Germanium
anteil der Konzentration x = 0,4 bis 0,6 und bevorzugt 0,5 und eine
p++-Dotierstoffkonzentration von 1 bis 5 × 1020 cm-3 und bevorzugt 3 × 1020 cm-3.
Üblicherweise besteht der Metallkontakt 6 aus Aluminium.
Die jeweiligen Schichtdicken der Schichtenfolge betragen beispielhaft für die
niederdotierten Siliziumschicht 2 ungefähr 100 nm, die intrinsische erste
Si1-xGex-Epitaxieschicht 3 ungefähr 3,5 nm, die hochdotierte zweite Si1-xGex-
Epitaxieschicht 4 ungefähr 5 nm, und die intrinsische dritte Si1-xGex-
Epitaxieschicht 5 ungefähr 1,5 nm.
Ein Vergleich des Quantenwirkungsgrades der in den Fig. 1a und 1b dargestellten
zwei Schichtenfolgen ist in Fig. 2a in Abhängigkeit der Wellenlänge dargestellt.
Die Probe A zeigt den erheblich gesteigerten Wirkungsgrad eines HIP-Detektors
mit erfindungsgemäßer Schichtstruktur gegenüber der Probe B eines
herkömmlichen Detektors.
Auch der in Fig. 2b dargestellte Verlauf der Stromdichte des Dunkelstroms in
Abhängigkeit von der angelegten Spannung verschiebt sich um eine
Größenordnung zu geringen Werten zugunsten der erfindungsgemäßen
Schichtstruktur gegenüber dem eines herkömmlichen Detektors.
Claims (7)
1. Schichtenfolge zur Herstellung eines Infrarot-Detektors,
bestehend aus,
- - einem Substrat (1) aus Silizium,
- - einer niederdotierten Siliziumschicht (2),
- - einer intrinsischen ersten Si1-xGex-Epitaxieschicht (3),
- - einer hochdotierten zweiten Si1-xGex-Epitaxieschicht (4), einer intrinsischen dritten Si1-xGex-Epitaxieschicht (5),
- - einem Metallkontakt (6).
2. Schichtenfolge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat
(1) einen Widerstand von ca. 50 Qcm besitzt.
3. Schichtenfolge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
niederdotierten Siliziumschicht (2) eine p--Dotierstofflconzentration von
ca. 1016 cm-3 enthält.
4. Schichtenfolge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
intrinsische erste und dritte Si1-xGex-Epitaxieschicht (3, 5) einen
Germaniumanteil der Konzentration x = 0,2 bis 0,4 und bevorzugt 0,3 enthält.
5. Schichtenfolge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
hochdotierte zweite Si1-xGex-Epitaxieschicht (4) einen Germaniumanteil der
Konzentration x = 0,4 bis 0,6 und bevorzugt 0,5 und eine p++-Dotierstoff
konzentration von 1 bis 5 × 1020 cm-3 und bevorzugt 3 × 1020 cm-3 enthält.
6. Schichtenfolge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Metallkontakt (6) aus Aluminium besteht.
7. Schichtenfolge nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichtdicken
- - der niederdotierten Siliziumschicht (2) ungefähr 100 nm
- - der intrinsischen ersten Si1-xGex-Epitaxieschicht (3) ungefähr 3,5 nm
- - der hochdotierten zweiten Si1-xGex-Epitaxieschicht (4) ungefähr 5 nm
- - der intrinsischen dritten Si1-xGex-Epitaxieschicht (5) ungefähr 1,5 nm
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|---|---|---|---|
| DE1999141304 DE19941304A1 (de) | 1999-08-31 | 1999-08-31 | Silizium-Germanium-Infrarotdetektor mit hohem Wirkungsgrad |
Applications Claiming Priority (1)
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ID=7920214
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19941304A1 (de) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114256367A (zh) * | 2021-11-25 | 2022-03-29 | 上海微波技术研究所（中国电子科技集团公司第五十研究所） | 石墨烯锗硅量子点集成的复合结构探测器及其制备方法 |
-
1999
- 1999-08-31 DE DE1999141304 patent/DE19941304A1/de not_active Withdrawn
Non-Patent Citations (5)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114256367A (zh) * | 2021-11-25 | 2022-03-29 | 上海微波技术研究所（中国电子科技集团公司第五十研究所） | 石墨烯锗硅量子点集成的复合结构探测器及其制备方法 |
| CN114256367B (zh) * | 2021-11-25 | 2023-06-09 | 上海微波技术研究所（中国电子科技集团公司第五十研究所） | 石墨烯锗硅量子点集成的复合结构探测器及其制备方法 |
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